專利名稱：基于傅里葉和小波正則化的同軸相襯圖像恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域，涉及一種圖像恢復(fù)方法，
背景技術(shù)：
乳腺癌是當(dāng)前婦女第一大“殺手”，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，2000年全世界約有120萬(wàn)婦女被診斷出患有乳腺癌，50萬(wàn)人死于乳腺癌。乳腺癌不僅危及患者生命，而且造成女性性征器官的損毀，嚴(yán)重危害女性身心健康。中國(guó)雖然不是乳腺癌高發(fā)國(guó)家，但近十年來(lái)年均增長(zhǎng)速度高出高發(fā)國(guó)家1-2個(gè)百分點(diǎn)，以每年3%-4%的速度遞增。由于我國(guó)人口眾多，乳腺癌的診治已經(jīng)成為日益沉重并亟需解決的社會(huì)問(wèn)題，而實(shí)現(xiàn)早期診斷是解決這一社會(huì)問(wèn)題、提聞患者生存率和生活質(zhì)量的關(guān)鍵。當(dāng)前乳腺常規(guī)檢查的主要手段為鑰(銠)靶X射線乳房成像術(shù)，然而長(zhǎng)期臨床實(shí)踐表明，該技術(shù)在靈敏度，特異性，安全性和舒適性等方面均存在重大缺欠一方面該技術(shù)存在高達(dá)10-15%的漏檢率；另一方面由該技術(shù)診斷為陽(yáng)性而最終的活檢確診率為25-29%。尤其嚴(yán)重的是，由于年輕女性的乳房過(guò)于致密，導(dǎo)致診斷準(zhǔn)確性嚴(yán)重降低。直到上世紀(jì)末,X射線相位襯度成像理論(X-ray phase contrast imaging, XPCI)的提出，打破了傳統(tǒng)的X射線成像理念，為實(shí)現(xiàn)理想的早期乳腺癌解剖成像診斷技術(shù)帶來(lái)了新的曙光。研究表明，在相同輻射劑量下，相襯成像的襯度分辨率較之傳統(tǒng)X線吸收襯度成像提高10倍左右，顯著提高了軟組織成像的圖像可見(jiàn)度。目前，歐、美、日本、澳大利亞等各國(guó)均在大力開(kāi)展X射線相襯成像方面的研究，X線相襯成像已被廣泛認(rèn)為“能給放射診斷醫(yī)學(xué)帶來(lái)巨大變革”顯微成像技術(shù)。當(dāng)前可用于X射線相襯成像的技術(shù)按照成像原理不同可分為干涉成像法(inteeferometry)、衍射增強(qiáng)成像法(diffraction enhanced imaging, DEI)、同軸成像法(in-line holography)、光柵差分相位襯度成像法(Differential phase contrast, DPC)以及編碼孔徑相襯成像法(Coded-aperture based χ-ray phase contrast imaging),這些方法在X光源、實(shí)驗(yàn)裝置、探測(cè)器以及成像性能指標(biāo)等方面有很大的不同。干涉成像法和衍射增強(qiáng)成像法均需要精密的單色晶體，由此導(dǎo)致它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中至少存在三個(gè)問(wèn)題1、系統(tǒng)中的單色晶體必須進(jìn)行高精度對(duì)準(zhǔn)，因此成像系統(tǒng)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)非常敏感；2、單色晶體意味著單色X射線束，這就導(dǎo)致大部分光源無(wú)法滿足成像系統(tǒng)的光通量需求，目前主要通過(guò)同步輻射源來(lái)解決這一問(wèn)題，但是同步輻射源耗資巨大，占地面積大，不利于臨床應(yīng)用和推廣；3、晶體會(huì)吸收一部分從被測(cè)對(duì)象出射后的X射線，因此很難控制最佳成像劑量。光柵差分相位襯度成像法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的相襯成像技術(shù)，由于該方法可以采用普通X線光源，因此具備較大的臨床應(yīng)用潛力，但其目前仍存在一些亟需解決技術(shù)問(wèn)題，比如，DPC方法需要引入高精度的平行光柵(光源光柵、相位光柵和吸收光柵)，增加了系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的要求；由于光線接收角度有限，降低了系統(tǒng)光通量，不可避免的導(dǎo)致系統(tǒng)曝光時(shí)間變長(zhǎng)；另外，一些外部因素如患者體溫也會(huì)對(duì)光柵精度帶來(lái)不可忽視的影響。編碼孔徑相襯成像法可以采用相對(duì)較大的編碼孔徑間隔(比DPC方法中的柵欄間隔大I 2個(gè)數(shù)量級(jí))，改善了 DPC方法中對(duì)系統(tǒng)精度的要求，但其仍然面臨著DPC方法中亟需解決的其他問(wèn)題。同軸相襯成像不需要引入額外的光學(xué)裝置即可直接獲得物體內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，其成像方式又被稱為自由空間傳播相襯成像(free-space propagation), Wilkins等人在早期研究中已經(jīng)證明同軸相襯成像可以采用多色X射線光源，從而避免了成像系統(tǒng)光通量方面的問(wèn)題。另一方面，同軸相襯成像系統(tǒng)投資小，占地面積不超過(guò)常規(guī)X射線攝影，因此推廣性強(qiáng)，可望替代常規(guī)X射線攝影成為乳腺癌普查的主要手段。在當(dāng)前各類相襯成像技術(shù)中，同軸成像法、光柵差分相位襯度成像法以及編碼孔徑相襯成像法所采用的光源都是工程可行的X光源，具有臨床應(yīng)用的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中，同軸成像法可視為光柵差分相位襯度成像法以及編碼孔徑相襯成像法的基礎(chǔ)，后兩種方法相當(dāng)于在同軸成像光路中引入了額外的光學(xué)裝置(平行光柵或編碼孔徑)。由此可見(jiàn)，同軸成像法的技術(shù)發(fā)展必然能夠有效促進(jìn)光柵差分相位襯度成像法以及編碼孔徑相襯成像法的發(fā)展。截至目前，同軸相襯成像技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外放射影像學(xué)領(lǐng)域的廣泛持續(xù)關(guān)注，該技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前條件下最適合實(shí)現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的顯微成像技術(shù)之一。值得一提的是，國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)從事X射線相襯成像設(shè)備研制的公司，如日本Konica Minolta公司(http://konicaminolta. jp)在國(guó)際上最早把相襯成像技術(shù)用于臨床乳腺診斷，并推出了 全球第一款基于普通X光源的相襯成像乳腺攝影系統(tǒng)。但迄今為止，X射線同軸相襯成像在乳腺癌臨床診斷上的優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有顯示出來(lái)，Konica Minolta公司的相襯成像乳腺攝影系統(tǒng)，成像質(zhì)量相對(duì)于現(xiàn)有的傳統(tǒng)X射線乳腺數(shù)字化成像系統(tǒng)提高不大，并沒(méi)有達(dá)到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的預(yù)期效果，采用該系統(tǒng)獲得的召回率和癌癥檢出率與傳統(tǒng)方法并沒(méi)有顯著區(qū)別。通過(guò)分析同軸相襯成像的真實(shí)物理過(guò)程以及文獻(xiàn)報(bào)道的相襯成像模型，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前制約同軸相襯成像技術(shù)在臨床推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題主要體現(xiàn)在像系統(tǒng)方面，圖像系統(tǒng)自身存在著缺陷，比如X光源并非理想點(diǎn)源，探測(cè)器性能受到自身分辨率及點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等因素的限制，系統(tǒng)存在各類有害噪聲等。針對(duì)探測(cè)器非理想性問(wèn)題，英國(guó)倫敦大學(xué)的學(xué)者Olivo采用維納解卷積方法進(jìn)行了初步嘗試，但是Olivo的模擬和測(cè)試結(jié)果針對(duì)的是同步輻射源系統(tǒng)。同步輻射源系統(tǒng)具有非常好的光源和非常高的信噪比，但是該系統(tǒng)代價(jià)昂貴，比如2010年建成的中國(guó)上海同步輻射光源，總投資14億，占地面積約二十萬(wàn)平方米。另一方面，Olivo采用維解卷積方法獲得的恢復(fù)圖像的質(zhì)量，與實(shí)際需求還有相當(dāng)差距。Olivo得到結(jié)果如下理想情況下，相襯成像襯度在200%以上；由于探測(cè)器非理想性造成惡化，相襯襯度下降到只有3% ;通過(guò)維納解卷積方法，相襯度可以提高到7. 2%和11. 9%，但在相襯度較高的11. 9%情況下，引入噪聲較大。由于微焦點(diǎn)同軸相襯成像是更適合實(shí)現(xiàn)臨床推廣應(yīng)用的成像技術(shù)，因此，針對(duì)該成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)相襯成像質(zhì)量的提高具有更為顯著的研究?jī)r(jià)值和意義。同時(shí)，探索一種更有效的相襯質(zhì)量提高的新方法，已經(jīng)成為面向同軸相襯成像技術(shù)及系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主旨是提出一種能夠提高X射線同軸相襯成像結(jié)果對(duì)比度及信噪比的方法，以此解決當(dāng)前工程技術(shù)條件下，同軸相襯成像面臨的關(guān)鍵問(wèn)題由于當(dāng)前工程條件下，微焦點(diǎn)X光源，探測(cè)器的非理想性以及系統(tǒng)噪聲等引起了相襯圖像質(zhì)量惡化，相襯度降低。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于傅里葉-小波正則化的同軸相襯圖像恢復(fù)方法，包括下列步驟①利用同軸相襯成像系統(tǒng)采集刀口器具的多幅圖像；②從每幅圖像獲取不同位置的刀口截面曲線，③對(duì)刀口截面曲線進(jìn)行平均，再對(duì)平均曲線求導(dǎo)數(shù),獲得同軸相襯成像系統(tǒng)的整體線擴(kuò)散函數(shù)h(x)；④放置成像物體，采集圖像，獲得成像結(jié)果y(x)；⑤計(jì)算y (X)和h(X)的傅里葉變換,獲得γ(ω)和Η(ω)⑥通過(guò)公式乒
權(quán)利要求
1.一種基于傅里葉和小波正則化的同軸相襯圖像恢復(fù)方法，包括下列步驟 ①利用同軸相襯成像系統(tǒng)采集刀口器具的多幅圖像； ②從每幅圖像獲取不同位置的刀口截面曲線， ③對(duì)刀口截面曲線進(jìn)行平均，再對(duì)平均曲線求導(dǎo)數(shù)，獲得同軸相襯成像系統(tǒng)的整體線擴(kuò)散函數(shù)h (X)； ④放置成像物體，采集圖像，獲得成像結(jié)果y(x)； ⑤計(jì)算I(X)和h (X)的傅里葉變換,獲得Y ( ω )和H ( ω ) ⑥通過(guò)公式,
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于傅里葉和小波正則化的同軸相襯圖像恢復(fù)方法，其特征在于，第7步中，對(duì)傅里葉正則化結(jié)果用Db4正交小波變換，小波函數(shù)表示為V'，尺度函數(shù)表示為Φ'，獲得小波系數(shù)信號(hào)MG);對(duì)M(X)進(jìn)行硬域值化，即
全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于傅里葉-小波正則化的同軸相襯圖像恢復(fù)方法，包括采集刀口器具的多幅圖像并從每幅圖像獲取不同位置的刀口截面曲線，獲得同軸相襯成像系統(tǒng)的整體線擴(kuò)散函數(shù)h(x)；放置成像物體，采集圖像，獲得成像結(jié)果y(x)；計(jì)算y(x)和h(x)的傅里葉變換，獲得Y(ω)和H(ω);通過(guò)傅里葉逆變換獲得理想相襯成像結(jié)果的傅里葉正則化估計(jì)對(duì)理想相襯f(x)的小波系數(shù)信號(hào)wj(x)進(jìn)行有效估計(jì);對(duì)傅里葉正則化估計(jì)進(jìn)行Db6正交小波變換,并進(jìn)行正則化得到進(jìn)行小波逆變換，獲得估計(jì)結(jié)果。本發(fā)明可以有效提高惡化效應(yīng)下相襯圖像的襯度，并保證了恢復(fù)圖像的保真度，能夠提高圖像恢復(fù)襯度以及信噪比。
文檔編號(hào)G06T5/50GK102867294SQ201210168729
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者周仲興, 高峰, 趙會(huì)娟, 張力新 申請(qǐng)人:天津大學(xué)